En un nuevo documento in Nature Chemical Biology, Investigadores Afiliados IGI Vivek Mutalik y Adam Arkin reportar avances en la comprensión fago biología que nos acercan al uso de estos pequeños depredadores para combatir la resistencia a los antibióticos bacterias fotosintéticas. Mutalik habló con Hope Henderson de IGI sobre sus nuevos hallazgos.
¿QUÉ ESTUDIA TU LABORATORIO?
Estudiamos principalmente biología sintética y funcional genómica of microbios. Principalmente, desarrollamos herramientas para estudiar bacterias, las observamos en el microbioma contexto, y hacer que hagan cosas. En el camino, me fascinan los bacteriófagos.
¿Qué son los bacteriófagos?
Los bacteriófagos, o fagos para abreviar, son virus que infectan bacterias.
¿Cómo te interesaste en el estudio de los fagos?
Los fagos son simplemente asombrosos. La biología y la ingeniería de fagos siempre ha sido mi sueño de trabajar, pero nunca tuve la oportunidad. En la última década, desarrollamos un conjunto de nuevas tecnologías para estudiar cómo interactúan los fagos con las bacterias, y eso me llevó al campo.
Una de las cosas que me he preguntado acerca de los fagos es que son tan pequeños y tan astutos, pero han desarrollado circuitos genéticos tan sofisticados para tomar el control del huésped y hacer copias de sí mismos. Ocurre una carrera armamentista: el fago infecta y las bacterias encuentran una manera de defenderse, y el fago encuentra un nuevo enfoque para contraatacar. Es algo así como a las escondidas, ¿sabes? Así que me gusta mucho el aspecto del descubrimiento sobre cómo estos mecanismos de defensa del fago y del huésped han dado forma a esta relación dinámica.
También me impulsa el desafío de encontrar una solución a la resistencia a los antibióticos en constante aumento en diferentes lugares, desde la fabricación de alimentos hasta los hospitales. Sin nuevos antibióticos en el horizonte, necesitamos desarrollar urgentemente terapias alternativas. Los fagos son una de esas alternativas muy poderosas a los antibióticos. A pesar de su importancia, nuestros esfuerzos para caracterizar sus interacciones con las bacterias diana, la los genes codificado en fagos y la resistencia a los fagos ha sido limitada. Al caracterizarlos sistemáticamente, podemos encontrar algunas formas inteligentes de implementarlos para mitigar infecciones bacterianas peligrosas. .
¿Cómo podrían usarse potencialmente los fagos para combatir las infecciones bacterianas?
Los fagos infectan y matan bacterias. Entonces, si tenemos una infección bacteriana realmente desagradable que no responde a ningún antibiótico, pero tenemos fagos que pueden matar esa bacteria, entonces hemos encontrado una opción alternativa para eliminar esa infección. El desafío es que, dado que existe la carrera armamentista entre bacterias y fagos que mencioné anteriormente, las bacterias desarrollan resistencia a nuestro fago todo el tiempo. Por lo tanto, debemos idear una nueva formulación de fagos para abordar esta nueva bacteria mutante. Entonces, necesitamos una gran colección de fagos que se dirijan a diferentes receptores o una forma de diseñar fagos rápidamente para tener un montón de variantes de fagos cuando surja la necesidad. Recientemente publicamos un pieza de opinión sobre esto y ofrecer algunas ideas nuevas sobre la construcción de una fundición de fagos para caracterizar sistemáticamente los fagos no solo para infecciones bacterianas en humanos sino también para su uso en diversas industrias, como la industria alimentaria, la acuicultura y la carne, etc.
Creo que los fagos podrían ser ideales para usarlos en combinación con otros tratamientos antimicrobianos. Por ejemplo, hay algunos estudios recientes que indican que si una bacteria es resistente a los antibióticos, puede agregar fagos, lo que obliga a la bacteria a evolucionar para sobrevivir. Y esa evolución para sobrevivir a los ataques de fagos tiende a volverlos vulnerables a los antibióticos. ¡Así que podría imaginarse repetir ese proceso en un paciente con una infección! Hay múltiples ensayos clínicos en curso para evaluar la eficacia de la terapia con fagos que recientemente revisado.
¿Qué tipo de fagos analiza en su último artículo?
Nuestro material genético está en forma de doble hebra letra singular. Pero los virus tienen más opciones. Algunos fagos usan ADN de doble cadena, pero otros, como SARS-CoV-2 virus, use monocatenario moléculas de ARN. La mayor parte de la investigación de fagos se ha centrado en fagos de ADN de doble cadena.
Recientemente, con nuevos genómico Con estas técnicas, los investigadores han podido recolectar todo el ARN en una muestra de agua o suelo y secuenciarlo. Y los investigadores han estado encontrando toneladas de fagos de ARN en todas partes, desde el intestino humano hasta el océano y el suelo. Hace tiempo que se sabe que existen este tipo de fagos, pero no sabíamos qué tan abundantes son, a quiénes infectan y cómo afectan a su huésped o entorno.
Muchos de estos fagos de ARN son diminutos. Un ser humano tiene alrededor de 20,000 genes, pero estos diminutos fagos tienen solo cuatro genes: uno para hacer la capa exterior, otro para copiar el ARN, uno que ayuda a unirse a la bacteria objetivo o transferir el ARN al huésped. (SCD por sus siglas en inglés),, y un gen escondido en algún lugar a lo largo del genoma que hace que la bacteria huésped estalle o se 'lise'. Solo un puñado de estos fagos ssRNA se han estudiado en detalle molecular.ls
¿Cómo atacan los fagos de ARN a las bacterias?
Bueno, estudios basados en un par de fagos de ARN modelo, sabemos que se unen a estructuras similares a pelos llamadas pili en la superficie de las bacterias e inyectan su material genético en la bacteria objetivo. Sin embargo, estamos limitados por las herramientas básicas para responder a estas importantes y básicas preguntas. ¡Ni siquiera sabemos cómo aislar fagos de ARN monocatenario y ni siquiera sabemos qué bacterias infectan o qué están haciendo! Esencialmente, tenemos más preguntas que respuestas para comprender estos fagos más pequeños.
Entonces, en este documento, nos enfocamos en una pregunta crítica: una vez que el fago ingresa, ¿cómo los fagos y su misteriosa lisis proteínas matar al anfitrión?
Uno de los colaboradores de este artículo, Ry Young, estudia cómo los fagos inducen la lisis. Su laboratorio y
otros descubrieron que estos pequeños genomas de fagos de ARN tienen un solo gen que puede causar lisis y eso es suficiente para matar al huésped. También se denominan "antibióticos proteicos", ya que se dirigen a las mismas proteínas a las que se dirigen los antibióticos.
Pero de los miles de fagos identificados por genómica, solo conocemos algunos de estos genes de lisis, y solo un par de ellos han sido estudiados a nivel molecular. ¿A qué proteínas se dirigen realmente una vez dentro de la célula bacteriana objetivo? ¿Cuál es el mecanismo de lisis? Si podemos responder a esas preguntas, avanzamos hacia poder usarlos en terapias.
¿Cómo empiezas a entender mejor los fagos?
Ry y su equipo en Texas A&M son expertos en sistemas de lisis de fagos, y nuestro equipo en IGI: Adam Arkin Lab en UC Berkeley, mi laboratorio y el laboratorio de Adam Deutschbauer en LBNL aportaron nuestra experiencia en genética microbiana, experiencia en fagos y tecnologías genómicas de alto rendimiento. . En este artículo, trabajamos juntos en una pantalla para identificar a qué parte de la bacteria se dirigían los fagos. Para este trabajo, elegimos una colección de regiones de lisis de un solo gen de diversos fagos de ARN monocatenario. Descubrimos objetivos potenciales para todas estas proteínas de lisis. Seguimos con una proteína específica de Pseudomonas aeruginosa fago que se dirige a un paso esencial específico en la vía de biosíntesis de peptidoglicano o de la pared celular importante para la supervivencia bacteriana. Sabemos por trabajos anteriores que este mismo paso también está dirigido por otra proteína de lisis de un solo gen presente en el fago que infecta a E. coli. Estas dos proteínas de lisis: sus secuencias genéticas y su estructura proteica son realmente diferentes, pero se dirigen a la misma vía para la biosíntesis de peptidoglicano o de la pared celular. ¡Así que eso es realmente interesante! Es un ejemplo de evolución convergente donde las proteínas de lisis de un solo gen se presentan en diferentes fagos que se dirigen a la misma vía para iniciar la lisis de la bacteria objetivo. Creemos que veremos más ejemplos de este tipo a medida que sigamos con más proteínas de lisis de un solo gen codificadas por fagos.
Para entrar en más detalle, esta era una pantalla supresora con código de barras. Utilizamos bibliotecas genómicas en las que los fragmentos de genomas bacterianos tienen un "código de barras" genético agregado para una identificación rápida y fácil. Estos fragmentos se agregaron a la E.coli bacterias Entonces, dentro de cada bacteria, hay copias adicionales de cualquier gen que esté en el fragmento. Entonces nosotros expresados una sola proteína de lisis en las células, por lo tanto, esta es una proteína de fago que es tóxica para las células bacterianas. Y vemos qué células bacterianas sobreviven.
La diferencia entre los que sobreviven y los que no, es qué genes hay en el fragmento con código de barras. Si las copias adicionales de un gen ayudan a que una célula bacteriana sobreviva más tiempo, es una pista de que esa proteína está involucrada en el proceso de lisis. Una vez que identificamos qué células son sobrevivientes, usamos el código de barras para identificar rápidamente qué fragmento genómico tenían. Y luego hacemos un seguimiento de algunos de estos resultados de la pantalla genética con experimentos adicionales para validar los resultados. ¡Puedes leer todos los detalles en el periódico!
¿Hay algo más que le gustaría compartir?
Estamos realmente entusiasmados con el potencial de este enfoque para estudiar más genes de fagos. También podemos extender esta misma pantalla para estudiar pequeños genes bacterianos de función desconocida conocidos como "genes tóxicos" y descubrir sus mecanismos moleculares.
Este es un proyecto financiado por IGI, por lo que estoy muy agradecido por el apoyo financiero de IGI. Ben Adler, actualmente en transición a un puesto de posdoctorado en el laboratorio de Doudna, dirigió este proyecto durante su doctorado. tesis.
Estoy muy agradecido con nuestros amigos de Texas A&M por su colaboración, así como con DOE ENIGMA-SFA por financiar la parte inicial del proyecto.
Logré obtener fondos del programa de Investigación y Desarrollo Dirigido por Laboratorio (LDRD) de Berkeley Lab para continuar trabajando en fagos ssRNA y todos sus misterios. Para esto, me asocié con Simon Roux del DOE Joint Genome Institute para analizar todos los aspectos de la biología y la ingeniería de fagos que no son modelo y no dsDNA.
